흐름 Regime에 근거를 둔 Sieve Tray 설계

김 종선, 김 형준, 이 승현, 이 태용, 홍 원희

한국과학기술원 화학공학과

Sieve Tray Design based on the Flow Regime

Jong-Seon Kim, Hyung-Jun Kim, Seung-Hyun Lee, Tae-Yong Lee,

Won-Hee Hong

Department of Chemical Engineering, KAIST,

373-1, Kusung-dong, Yusung-gu, Taejon, 305-701, Korea

서론

칼럼디자인은 이론적인 식들이 거의 없으며 실험적, 경험적 식들에 의존한다. 이러한 식들은 각각 그 가정과 결과값 적용 범위에 근거를 둔 흐름 regime이 달라서, 공정 특성에 맞게 선택하는 실제적인 문제가 있다. 반면, 경험식들을 이용하여 설계 변수를 얻은 후에야만 흐름 regime을 알 수 있기 때문에 칼럼디자인은 매우 시간을 요구하는 작업이다. 본 연구에서는 설계자가 Sieve tray에 대해서 흐름 regime을 근거로 설계할 수 있는 프로그램(Procol)을 만들었으며 설계의 타당성을 체크하였다.

설계 프로그램

설계 프로그램(Procol)은 크게 물성을 얻는 data library와 설계부분으로 나뉜다.

1. Data library

총 200가지 물질들에 대해서 분자량, 기체 점도, 액체 점도, 액체 몰 부피, 표면장력을 data library화하였다.

2 설계

다른 흐름 regime을 근거로 하는 다양한 설계식들을 프로그램화 하였다.1,5,6,8,9) 올바른 흐름 regime을 근거로 나온 설계값들이 안정적인 조업상황을 이루는지 체크하였다.2,3,7) Procol의 전반적인 과정은 그림 1에 flow chart로 나타내었다.

결과 및 토론

1. 예제 풀이

프로그램 출력의 신뢰도를 위해서 □Equilibrium Stage Separations "(Wankat)에 나온 예제 12-2, 12-3을 풀어 보았다.8) 결과는 그림 2에 나타내었다. 전반적으로 잘 맞음을 알 수 있다.

2. 흐름 Regime

본 프로그램은 흐름 regime의 올바른 구분을 확인하기 위해 여러 연구자들의 일반적인 결과와 비교하였으며6), 그림 3에 이를 나타냈다. 그림에 위치하는 1, 2의 정보와 Procol에서 예측된 흐름 regime은 표 1에 나타냈다. 흐름 regime을 잘 예측함을 알 수있다.

표 1 흐름 regime 정보 및 Procol 결과

번호	[eqn: u_h ( rho_v / rho_l )^0.5] (m/s)	hcl / d0	프로그램이 예측한 흐름 regime
1	0.327	2.32	froth
2	0.97	1.54	spray

3. 범람 및 weeping 발생 예측

표 2에는 전반적인 설계 변수 값의 예 및 범람 발생과 weeping 발생의 경우를 나타내었다. 물리적인 현상과 잘 부합됨을 알 수 있다.

표 2 적절한 설계 변수 값들의 예 및 범람과 weeping 발생 경우

	안전적인 조업 조건	범람	Weeping
Percent Flooding	0.75	0.75	0.75
Plate spacing (in)	24	24	24
Hole area/ Active area	0.1	0.1	0.25
Fraction of Cross section Area	0.9	0.9	0.9
Hole diameter(in)	0.1875	0.1875	0.1875
Plate thickness(in)	0.078	0.078	0.078
Weir height(in)	2.0	4.0	2.0

4. 토론

본 연구는 조업 조건에 따른 시스템의 흐름 regime을 고려하여 Sieve tray를 설계를 하였다. 몇 가지 예제를 풀어봄에 의해서 프로그램의 타당성을 확인하였으며,  실제 산업체에서 sieve tray 설계시 많은 도움을 주리라 예상된다.

참고문헌

1. Jeronimo, M.A. da S., and H. Sawistowski, Trans. Inst. Chem. Engrs.(London), 51, 265 (1973)

2. Kessler, D. P. & P. C. Wankat "Correlations for Design Equations for Staged & Packed Columns", Chem. Eng., 1987.

3. Henry Z. Kister and Joe R. Haas, "Sieve Tray entrainment Prediction in the Spray Regime " Ind. Eng. Chem. Res. 27, 2331(1988)

4. Hsieh, C. L., and K. J. McNulty, Paper presented at the annual Meeting of AIChE, Miami Beach, Florida, November 2(1986)

5. Ludwig, "Applied Process Design for Chem. and Petrochem. Plant/vol2", 1st ed., Gulf Publish. Co., Texas, 1972.

6. M. J. Lockett, "Distillation tray fundamentals", Cambridge university press, 1st edition(1984)

7. O'Bara J. T., and Colwell, C. J., "Paper presented at the AIChE national meeting, Houston, Aprial(1989)

8. Wankat, " Equilibrium Staged Separations", Elsevier, New York, 1988.

9. Zuiderweg, F. J., P.A.M. Hofuis, and J. Kuzniar, "Flow regimes on sieve Trays : The significance of the Emulsion Flow regime", Chem. Eng. Res. Des., 62, Jan, 39(1984)